基于單片機(jī)的溫度巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-大學(xué)畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)位論文范文模板參考資料

1、目 錄摘 要3ABSTRACT4第一章 概述5課題的提出5溫度概況 5 溫度檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀6 課題背景6選題意義7第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究82.1 系統(tǒng)性能要求 82.2 方案的比較分析 8測(cè)量部分8 多機(jī)遠(yuǎn)程通信部分8第三章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)9框圖 9 總體框圖9 從機(jī)系統(tǒng)框圖1111 溫度信號(hào)的獲取與放大1112 信號(hào)處理和顯示14 聲光報(bào)警部分2021 電路設(shè)計(jì)21 多機(jī)系統(tǒng)21 主從式多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)21 RS-485方式構(gòu)成的多機(jī)通信原理23 3.5主控機(jī)部分26 電路設(shè)計(jì)26 所用器件介紹26 3.6 電源部分29多路開關(guān)的選擇29第四章 軟件部分31 3134第五章結(jié)論36參考文

2、獻(xiàn)38摘 要從機(jī)進(jìn)行溫度采集，收集測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理，顯示和打印。主控機(jī)與各從機(jī)之間能夠相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，從而達(dá)到了系統(tǒng)整體統(tǒng)一，和諧的控制效多路溫度檢測(cè)系統(tǒng)以8051單片機(jī)系統(tǒng)為核心，能對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制巡檢。各檢測(cè)單元（從機(jī)）能獨(dú)立完成各自功能，根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集，測(cè)量結(jié)果不僅能在本地儲(chǔ)存，顯示，而且可以利用單片機(jī)串行口，通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到主控機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析，存檔，處理和研究。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令發(fā)送，控制各個(gè)果。系統(tǒng)檢測(cè)溫度范圍為0-400，檢測(cè)分辨率，使用RS-485串行總線進(jìn)行傳輸，MAX48

3、5驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，傳送距離大于1200m，抗干擾能力強(qiáng)，各檢測(cè)器單元可顯示檢測(cè)的溫度，設(shè)計(jì)并制造了各檢測(cè)器及主控器所用的直流穩(wěn)壓電源。由單相220V交流電壓供電。關(guān)鍵詞：Pt100,多機(jī)遠(yuǎn)程通信，8051單片機(jī)，儀器放大器620，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AbstractThe multichannel temperature examination system take 8,051 microcomputer systems as a core.It can inspect and controll the temperature of many spots. Each examination u

4、nit (the litter machine) can complete respective function independently. It can collect the temperature in a time according to the instruction of the major controlling machine. The measurement result can be stored and demonstrated in local place. Moreover,it can use the mouth of the microcomputer to

5、 transfer the data gathered to the major controlling machine through the RS-485 main line and the correspondence agreement .Then we can have the further analysis and the archive and processing and the research. The major controlling machine is responsible for transmissing the command, controlling th

6、e temperature gathering of the other machines.It can collect the surveying data.It can also reorganize and demonstration and then print the measurement result(including historical data).The major controlling machine can relate with other machine and coordinate with other machine. Thus it has achieve

7、d the harmonious effect of the whole system。This system has realized: 1 the temperature of the examination range from 0 to 400 . 2 examination resolution 0.1 . 3 using the RS-485 serial main line to transfer.The MAX485 make chip transform and the transmission distance is longger than 1200m, the anti

8、jamming ability is strong.4 Each detecting unit can demonstrate the temperature of the examination. 5 design and make the detectors and the current direct voltage-stabilized source that the major controlling machine uses。It comes from the single alternating voltage power of 220vKeywords：Pt100, micro

9、comupter8051, AD620,MAX187第一章 概述 課題的提出測(cè)量是運(yùn)用專門的工具，根據(jù)物理、化學(xué)、生物等原理，通過試驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的量值。測(cè)量的目的就是盡可能準(zhǔn)確的及時(shí)收集被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息，以便對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行正確的控制。測(cè)量是人類人士和改造世界的一種不可缺少和替代的手段。歷史事實(shí)也已證明：科學(xué)的進(jìn)步，生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步是相互依賴、相互促進(jìn)的。測(cè)量技術(shù)是一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)的水平的反應(yīng)?？茖W(xué)和技術(shù)的發(fā)展是與測(cè)量水平并行進(jìn)步，相互匹配的。事實(shí)上，可以說，評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家的科技動(dòng)態(tài)，最簡(jiǎn)單快速的辦法就是評(píng)價(jià)這個(gè)國(guó)家的測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量數(shù)據(jù)是如何被利用的 。在暖通空調(diào)專業(yè)中，供暖、空調(diào)、制

10、冷效果檢驗(yàn)；建筑熱工特性的測(cè)量；新型建筑材料的特性檢驗(yàn)；建筑節(jié)能的研究；空暖熱網(wǎng)，通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、燃?xì)馀涔芫W(wǎng)、給排水網(wǎng)等系統(tǒng)的運(yùn)行和特性研究中，都需要對(duì)溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 這些領(lǐng)域的測(cè)量具有本身獨(dú)特的特點(diǎn)，例如在供暖網(wǎng)的系統(tǒng)中，它存在如下特點(diǎn)：（1）作用半徑大，測(cè)點(diǎn)分散。對(duì)于一個(gè)城市的集中供暖網(wǎng)的系統(tǒng)，它的覆蓋面廣，系統(tǒng)大，。這樣測(cè)量供暖網(wǎng)不通點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)時(shí)，測(cè)點(diǎn)就相當(dāng)分散。（2）管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)需要分時(shí)記錄。要對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行分析研究，管網(wǎng)的分時(shí)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量和記錄非常重要。一般要求在管網(wǎng)運(yùn)行的期間，按一定的順序檢測(cè)和記錄運(yùn)行參數(shù)。此外還有節(jié)能建筑的效果檢驗(yàn)，它需要對(duì)節(jié)能建筑和非節(jié)能建筑

11、的功耗進(jìn)行比較，這同樣需要對(duì)建筑物內(nèi)的房間進(jìn)行分時(shí)的測(cè)量和記錄。但它也存在如同供暖效果檢驗(yàn)的一些困難。另外一些別的專業(yè)的科學(xué)試驗(yàn)中，溫度也是非常重要的一個(gè)測(cè)量參數(shù)。綜上所述，由于溫度的測(cè)量存在上述的問題，就需要由一種方便使用的測(cè)量?jī)x表，能進(jìn)行時(shí)時(shí)的檢測(cè)，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行不需要人為的干預(yù)。在這種情況下，本文設(shè)計(jì)了一種方便使用的數(shù)碼顯示溫度數(shù)據(jù)采集器（以下簡(jiǎn)稱溫度數(shù)據(jù)采集器）分別采用Pt100鉑電阻和熱電偶作為溫度傳感器來采集數(shù)據(jù)。并運(yùn)用三線制接法和冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ脕矸謩e消除熱電阻和熱電偶的測(cè)量誤差。 本溫度數(shù)據(jù)采集器在設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，采用16路傳感器輪流檢測(cè)，從而實(shí)

12、現(xiàn)溫度巡檢的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。微處理器采用穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，這樣可以省去電池供電所帶來的如工作時(shí)間有限電壓不穩(wěn)定以及電壓的下降而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作精度和穩(wěn)定性的問題。溫度概況溫度是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，自然界中任何物理?；瘜W(xué)過程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度檢測(cè)和控制都直接和安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)效率、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中都受到普遍重視。溫度檢測(cè)儀表作為溫度計(jì)量工具，因此也得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這類儀表的發(fā)展也日新月異。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以單片機(jī)為主的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，形成了智能化的測(cè)量控制儀器，從

13、而引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。 溫度檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的機(jī)械式檢測(cè)儀表在工礦企業(yè)之中已經(jīng)有上百年的歷史了。一般均具有指示溫度的功能。由于測(cè)溫原理的不同，不同的儀表在記錄、遠(yuǎn)傳等方面的性能差別很大。例如熱電阻溫度計(jì)，他的測(cè)溫范圍是200650,測(cè)量準(zhǔn)確，可用于低溫或溫差測(cè)量，能夠指示報(bào)警、遠(yuǎn)傳、控制變送，但維護(hù)工作量大而且不能記錄；光學(xué)溫度計(jì)測(cè)量范圍是3003200，攜帶使用方便，價(jià)格便宜，但是他只能目測(cè)，也就是說必須熟練才能測(cè)準(zhǔn)，而且不能遠(yuǎn)傳、控制變送等。 近年來由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測(cè)量控制儀表已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步。我國(guó)的單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用始于80年代，在這20

14、年中單片機(jī)應(yīng)用縱向發(fā)展，技術(shù)日益成熟。以單片機(jī)為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以輕易的將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起。智能儀表在測(cè)量過程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理已經(jīng)功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。目前在研制高精度、高性能、多功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎沒有不考慮采用單片機(jī)使之成為智能儀表的。從技術(shù)的背景來說，硬件集成電路的不斷發(fā)展和創(chuàng)新也是一個(gè)很重要的因素。各種集成電路芯片都在朝超大規(guī)模、全CMOS化的方向發(fā)展，從而使用戶具有了更大的選范圍，這類儀器能夠解決許多傳統(tǒng)儀器不能或不易解決的問題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，降低儀表的成本以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。 智能化

15、控制儀表的整個(gè)工作過程都是在軟件的控制下自動(dòng)完成的。裝在儀表內(nèi)部的EPROM中的監(jiān)控程序由許多程序模塊組成，每易各模塊完成一種特定的功能，例如實(shí)現(xiàn)算法、接受并分析鍵盤輸入命令等。編制完善的監(jiān)控程序的某些模塊，能夠取代某些硬件電路的功能。這就為設(shè)計(jì)者擴(kuò)展或改變儀表集體功能提供了方便。 智能控制儀表在引入單片機(jī)之后，已經(jīng)降低了對(duì)某些硬件電路的要求，但是測(cè)試電路仍然占有很重要的位置，尤其是直接獲取被測(cè)信號(hào)額傳感器部分仍應(yīng)給予充分的重視，有時(shí)提高整臺(tái)儀器性能的關(guān)鍵仍然是在于測(cè)試電路尤其是傳感器額改進(jìn)?，F(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。

16、由許多的國(guó)家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價(jià)的測(cè)量?jī)x器的主體。 與國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的各種各樣的智能化測(cè)量控制儀表相比，國(guó)際上更是品種繁多。國(guó)內(nèi)的開發(fā)規(guī)模也相對(duì)較小，開發(fā)費(fèi)用相對(duì)較高，與國(guó)際相比還存在很大的差距 課題背景溫度的精確測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的一個(gè)經(jīng)典課題，在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，特別是智能儀表中，測(cè)量變換電路起著非常重要的作用。設(shè)計(jì)測(cè)量變換電路時(shí)，我們是從分析傳感器性能入手，通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,綜合出一個(gè)較滿足期望指標(biāo)的測(cè)量變換電路來。目前，廣泛使用的溫度傳感器有4類：熱電阻，熱電偶，熱敏電阻及集成電路溫度傳感器。本文介紹的檢測(cè)系統(tǒng)，采用的是熱電阻元件測(cè)溫。熱電阻具有精度高，

17、性能穩(wěn)定，互換性好，耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測(cè)溫元件，缺點(diǎn)是不能在高溫環(huán)境中使用1。使用熱電阻時(shí)，必須把它放在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，因此從測(cè)溫點(diǎn)到測(cè)量變換電路之間引線較長(zhǎng)，即使不計(jì)熱噪電阻，導(dǎo)線自身電阻r也相當(dāng)可觀(50100m時(shí)r410)。與熱電阻變化率相比，顯然，連線電阻對(duì)測(cè)量精度影響很大。當(dāng)采用模擬開關(guān)作多點(diǎn)間的切換測(cè)溫時(shí)，由于模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻有幾十歐姆幾百歐姆，并且通道間導(dǎo)通電阻相互差有幾歐姆幾十歐姆，這也給測(cè)量電路引入不可忽視的測(cè)量誤差，熱電阻數(shù)學(xué)模型中的二次非線性項(xiàng)對(duì)測(cè)量精度的影響更是不言而喻2。因此，只有消除上述誤差，或是控制在期望指標(biāo)的允許

18、誤差內(nèi)才能設(shè)計(jì)出一個(gè)比較完好實(shí)用的多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。選題意義隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，溫度檢測(cè)和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號(hào)處理電路，而且熱敏電阻的可靠性相對(duì)較差，測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度低，檢測(cè)系統(tǒng)的精度差。系統(tǒng)采用是熱電阻元件測(cè)溫，熱電阻具有精度高，性能穩(wěn)定，互換性好，耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中廣泛使用的一種比較理想的測(cè)溫元件。能對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制巡檢，各檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集。能廣泛用也各種工業(yè)領(lǐng)域，如：自行車烤漆，糧食的儲(chǔ)存

19、等，所以具有實(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究設(shè)計(jì)一個(gè)多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求檢測(cè)范圍為：0-400，檢測(cè)分辨率為：,各檢測(cè)器與主控器之間的距離100米,各顯示器單元可顯示檢測(cè)的溫度值，設(shè)計(jì)并制作個(gè)檢測(cè)器以及主控器所用的直流穩(wěn)壓電源，由單相220V交流電壓供電。經(jīng)過改進(jìn)的系統(tǒng)具有較好的快速型與較小的超調(diào)，以及數(shù)碼管顯示及測(cè)量精度提高等。 測(cè)量部分方案 = 1 * CHINESENUM3 一 采用熱敏電阻，可滿足4090的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度，重復(fù)性，可靠性都比較差,對(duì)于檢測(cè)小于1的溫度信號(hào)是不適用的。方案 = 2 * CHINESENUM3 二 采用溫度傳感器AD590。它具有較高的

20、精度和重復(fù)性，相比于熱敏電阻精度有所提高，但非線性誤差為，且檢測(cè)溫度范圍為：-55+155，不滿足題目要求。方案 = 3 * CHINESENUM3 三 采用Pt100。它的國(guó)際測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)為：-40+450，可選環(huán)境溫度為：-4070，精度為：，完全符合要求。且安裝尺寸小，可直接安裝在印刷電路板上，可焊SIP封裝3。方案四 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測(cè)量。但需采用電路或軟件設(shè)計(jì)等修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響，使用不便。綜上比較分析，選擇方案 = 3 * CHINESENUM3 三，以便于更好的提高

21、測(cè)量精度。多機(jī)遠(yuǎn)程通信部分方案 = 1 * CHINESENUM3 一 一般微機(jī)提供的標(biāo)準(zhǔn)接口為RS232，它的接口是一種用于近距離(最大3060米)、慢速度、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的通訊協(xié)議，在RS232中一個(gè)信號(hào)只用到一條信號(hào)線，采取與地電壓參考的方式，因而在長(zhǎng)距離傳輸后，發(fā)送端和接收端地電壓有出入，容易造成通訊出錯(cuò)或速度降低。方案 = 2 * CHINESENUM3 二 RS485接口采用不同的方式：每個(gè)信號(hào)都采用雙絞線(兩根信號(hào)線)傳送，兩條線間的電壓差用于表示數(shù)字信號(hào)。例如把雙絞線中的一根標(biāo)為A(正)，另一根標(biāo)為B(負(fù))，當(dāng)A為正電壓(通常為+5V)，B為負(fù)電壓時(shí)(通常為0)，表示信號(hào)“1”；反

22、之，A為負(fù)電壓，B為正電壓時(shí)表示信號(hào)“0”。RS485/422允許通訊距離可達(dá)到1200米，采用合適的電路可達(dá)到的傳輸速率4。綜上比較分析，方案 = 2 * CHINESENUM3 二具有更高的精度和測(cè)量距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，選擇方案 = 2 * CHINESENUM3 二。第三章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 框圖 總體框圖圖3.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件電路圖圖3.1為多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖，主要由主機(jī)和從機(jī)兩部分構(gòu)成，主機(jī)和從機(jī)由RS-485總線連接，主機(jī)外接鍵盤，顯示器，打印機(jī)和聲光報(bào)警裝置。從機(jī)系統(tǒng)框圖圖3.2 從機(jī)系統(tǒng)框圖圖3.2是從機(jī)系統(tǒng)框圖，溫度檢測(cè)點(diǎn)將采集到的電壓信號(hào)送到傳感器，經(jīng)放大后送入A/D

23、轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后送入單片機(jī)。3.2 從機(jī)部分溫度信號(hào)的獲取與放大(1) 電路的設(shè)計(jì)熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。所以通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時(shí)，熱電阻兩端的電壓信號(hào)被送到儀器放大器AD620的輸入端，經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。電路原理圖如圖3.3所示。對(duì)信號(hào)放大，我們使用了低價(jià)格、高精度的儀器放大器AD620，它運(yùn)用方便，可以通過外接電阻方便的進(jìn)行各種增益（1-1000）的調(diào)整。其增益計(jì)算公式為：圖3.3 熱電阻測(cè)溫電路原理圖（2）溫度值計(jì)算過程：由于A/D檢測(cè)到的模擬電壓值

24、,計(jì)算可到的RT值，然后利用如下公式求出溫度值：其中，5實(shí)際測(cè)量中，為提高測(cè)量精度，我們分兩擋進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)溫度處于0210時(shí)，繼電器J2所在橋臂電阻為，繼電器J1選擇AD620的反饋電阻R5，溫度處于195400時(shí)，控制繼電器J2將電阻R31串接上，并相應(yīng)控制繼電器J1選擇R6做為AD620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時(shí)同步改變放大倍數(shù)，從而達(dá)到自動(dòng)改變量程6，提高測(cè)量精度的目的。（3） 所用器件的介紹Pt100: Pt100的國(guó)際測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)為：-40+450，可選環(huán)境溫度為：-4070，精度為：，完全符合要求。且安裝尺寸小，可直接安裝在印刷電路板上，可焊SIP封裝。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(1) 電路的設(shè)計(jì)

25、A/D轉(zhuǎn)換的好與壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精確度，題目要求分辨率達(dá)到0.1，由于本系統(tǒng)測(cè)量的是溫度信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，滯后大，不要求快速轉(zhuǎn)換，因此選用12位串行ADMAX186。MAX186是美國(guó)MAXIM公司設(shè)計(jì)的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了大帶寬跟蹤/保持電路和串行接口，轉(zhuǎn)換速率高且功耗低，特別適合對(duì)體積，功耗和精度有較高要求的便攜式智能化儀器儀表產(chǎn)品。MAX186具有12位的分辨力，其基準(zhǔn)電壓為4.096V，故最小分辨電壓為，能分辨的最小溫度變化為，能達(dá)到題目的基本要求。為進(jìn)一步提高精度，可以直接采用16位AD轉(zhuǎn)換器，也可以采用過采樣和求均值技術(shù)來提高測(cè)量分辨率7。系統(tǒng)采用了后一種方法

26、。所謂過采樣技術(shù)是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進(jìn)行采樣，也就是說當(dāng)ADC以高于系統(tǒng)所需采樣頻率fs的速率對(duì)信號(hào)采樣時(shí)，能增加有效位數(shù)。每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過采樣，即其中w希望增加的分辨率位數(shù)；fs初始采樣頻率要求；fos過采樣頻率。圖3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖假設(shè)每秒鐘輸出一個(gè)溫度值（1Hz）。為了將測(cè)量分辨率增加到16位，按下式計(jì)算過采樣頻率，即：因此，如果以fs=256Hz的采樣頻率對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，則將在所要求的采樣周期內(nèi)采集到足夠的樣本，對(duì)這些樣本求均值便可得到16位的輸出數(shù)據(jù)。為此，先累加（將256個(gè)連續(xù)樣本加在一起），然后將總和除以16。這樣得到的結(jié)果便是1

27、6位的有效數(shù)據(jù)，增加了4位有效數(shù)據(jù)。用過采樣和求均值技術(shù)后，新的AD分辨率計(jì)算如下：最小分辨電壓=這樣，可以測(cè)量的最小溫度變化為，就允許了以高于8的精度對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。另外，為了減小工頻信號(hào)引起的誤差，我們?cè)O(shè)計(jì)了在40ms（20ms的兩倍）時(shí)間內(nèi)采樣，然后再取平均值，將工頻信號(hào)誤差濾除。（2） 所用器件的介紹MAX186：MAX186是美信公司推出的12位AD轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣保持電路，單5 V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為85s，具有片上4096 V參考電壓，模擬量輸入范圍為0VBEF。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線，設(shè)計(jì)精巧，工作速度快。小巧的封裝體積適合在傳感器中使

28、用。MAX186有8個(gè)引腳，引腳1：+5V電源。引腳2：模擬量輸入，范圍0VBEF VDD的基準(zhǔn)電壓。引腳5：接地。引腳6：數(shù)據(jù)輸出。引腳7：片選。引腳8：時(shí)鐘，最高為5MHz.MAX186用采樣保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，其采樣保持電路不需要外接電容。MAX186有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將置為低電平進(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到10A以下。置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開啟后，經(jīng)過20 ms后參考引腳的47F電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過程是：當(dāng)為低電平時(shí)，在下降沿MAX186的TH電路進(jìn)入保持

29、狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換，8.5s后DOUT輸出為高電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時(shí)可在SCLK端輸入一串脈沖將結(jié)果從DOUT端移出，讀入單片機(jī)中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將置為高電平。要注意的是：在置為低電平啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到DOUT有效（或者延時(shí)8.5s以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個(gè)9。發(fā)完脈沖后應(yīng)將置為高電平。信號(hào)處理和顯示單元電路的設(shè)計(jì)圖3.5 從機(jī)單片機(jī)部分原理圖信號(hào)處理及顯示單元采用8051單片機(jī)作為信息處理單元，它是從機(jī)的核心器件，對(duì)傳感器采集來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度信號(hào)，送液晶進(jìn)行顯示。而且從機(jī)能夠通過通訊電路將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳，接收主機(jī)數(shù)據(jù)（包括系統(tǒng)時(shí)

30、間信息、修正值和報(bào)警上下限）進(jìn)行自身信息設(shè)置。 該系統(tǒng)用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。在硬件設(shè)計(jì)中將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理是輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。該方案與靜態(tài)顯示相比，硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。,但一定要加上它，因?yàn)槊恳粋€(gè)段碼的發(fā)光二極管所能承受的最大電流為10mA-20mA。在電源電壓為5V時(shí)，如果不加限流電阻，則流過發(fā)光二極管的電流會(huì)有幾

31、百毫安，這樣很快會(huì)燒壞發(fā)光二極管。還需要說明的一點(diǎn)是，該系統(tǒng)選用共陽極數(shù)碼管，這樣在段碼控制端口（P0口）為低電平時(shí)數(shù)碼管導(dǎo)通點(diǎn)亮。為什么選用共陽極數(shù)碼管呢？因?yàn)?1單片機(jī)中或者是其它的一些集成電路中，它的灌電流要大于其輸出電流，所以要選用共陽極數(shù)碼管，讓P0口以灌電流的方式提供驅(qū)動(dòng)電流，以提高驅(qū)動(dòng)能力。還需要特別說明的一點(diǎn)是，用端口不能直接去驅(qū)動(dòng)每個(gè)數(shù)碼管的位選端口，因?yàn)?1單片機(jī)的每個(gè)端口只能提供20mA的電流，如果去驅(qū)動(dòng)的話，會(huì)很快燒壞單片機(jī)的端口。（2） 器件的介紹MCS-51：MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更

32、強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品10，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。MCS-51系列單片機(jī)主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)128bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個(gè)專用寄存器2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)一個(gè)全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝11單一+5V電源

33、供電MCS-51以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“名機(jī)”，為以后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結(jié)構(gòu)，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了MCS-51單片機(jī)，像PHILIPS，Dallas，ATMEL等著名的半導(dǎo)體公司都推出了兼容MCS-51的單片機(jī)產(chǎn)品，就連我國(guó)的臺(tái)灣WINBOND公司也發(fā)展了兼容C51(人們習(xí)慣將MCS-51簡(jiǎn)稱C51,如果沒有特別聲明，二者同指MCS-51系列單片機(jī))的單片品種。近年來C51獲得了飛速的發(fā)展，C51的發(fā)源公司INTEL由

34、于忙于開發(fā)PC及高端微處理器而無精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機(jī)，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展了高速I/O口，A/D轉(zhuǎn)換器，PWM(脈寬調(diào)制)，WDT等增強(qiáng)功能，并在低電壓微功耗，擴(kuò)展串行總線(I2C)和控制網(wǎng)絡(luò)總線(CAN)等功能加以完善12。a 輸入輸出口8051有4組8位I/O口：P0、P1、P2和P3口，P1、P2和P3為準(zhǔn)雙向口，P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口，下面我們分別介紹這幾個(gè)口線：P0口和P2口：電路中包含一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器和兩個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器，另外還有一個(gè)數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動(dòng)和控制電路。這兩組口線用

35、來作為CPU與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外部程序存儲(chǔ)器和I/O擴(kuò)展口，而不能象P1、P3直接用作輸出口。它們一起可以作為外部地址總線，P0口身兼兩職，既可作為地址總線，也可作為數(shù)據(jù)總線。P2口作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器的地址總線的高8位輸出口AB8-AB15，P0口由ALE選通作為地址總線的低8位輸出口AB0-AB7。外部的程序存儲(chǔ)器由PSEN信號(hào)選通，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則由WR和RD讀寫信號(hào)選通，因?yàn)?16=64k，所以8051最大可外接64kB的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。P1口：P1口為8位準(zhǔn)雙向口，每一位均可單獨(dú)定義為輸入或輸出口，當(dāng)作為輸入口時(shí)，1寫入鎖存器，Q(非)=0，T2截止，內(nèi)上拉電阻將電位拉

36、至1，此時(shí)該口輸出為1，當(dāng)0寫入鎖存器，Q(非)=1,T2導(dǎo)通，輸出則為0。作為輸入口時(shí)，鎖存器置1，Q(非)=0，T2截止，此時(shí)該位既可以把外部電路拉成低電平，也可由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平，正因?yàn)檫@個(gè)原因，所以P1口常稱為準(zhǔn)雙向口。需要說明的是，作為輸入口使用時(shí)，有兩種情況，其一是：首先是讀鎖存器的內(nèi)容，進(jìn)行處理后再寫到鎖存器中，這種操作即讀修改寫操作，象JBC(邏輯判斷)、CPL(取反)、INC(遞增)、DEC(遞減)、ANL(與邏輯)和ORL(邏輯或)指令均屬于這類操作。其二是：讀P1口線狀態(tài)時(shí)，打開三態(tài)門G2,將外部狀態(tài)讀入CPU。b Mcs-51的串行通信口8051單片機(jī)引腳圖MCS

37、-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（SBUF），這兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收發(fā)送器，既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出，它們的地址為99H。這個(gè)通信口既可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，亦可實(shí)現(xiàn)串行異步通信，還可以構(gòu)成同步移位寄存器使用。如果在傳行口的輸入輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，就可方便地構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口13。下面我們分別介紹。基本概念數(shù)據(jù)通信的傳輸方式有單工，半雙工，全雙工和多工方式。單工方式：數(shù)據(jù)僅按一個(gè)固定方向傳送。因而這種傳輸方式的用途有限，常用于串行口的打印數(shù)據(jù)傳輸與簡(jiǎn)單系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)采集。半雙工方式：數(shù)據(jù)可

38、實(shí)現(xiàn)雙向傳送，但不能同時(shí)進(jìn)行，實(shí)際的應(yīng)用采用某種協(xié)議實(shí)現(xiàn)收/發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)換。全雙工方式：允許雙方同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳送,但一般全雙工傳輸方式的線路和設(shè)備較復(fù)雜。多工方式：以上三種傳輸方式都是用同一線路傳輸一種頻率信號(hào)，為了充分地利用線路資源，可通過使用多路復(fù)用器或多路集線器，采用頻分，時(shí)分或碼分復(fù)用技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)在同一線路上資源共享功能，我們盛之為多工傳輸方式。串行數(shù)據(jù)通信兩種形式。異步通信在這種通信方式中，接收器和發(fā)送器有各自的時(shí)鐘，它們的工作是非同步的，異步通信用一幀來表示一個(gè)字符，其內(nèi)容如下：一個(gè)起始位，僅接著是若干個(gè)數(shù)據(jù)位。同步通信同步通信格式中，發(fā)送器和接收器由同一個(gè)時(shí)鐘源控制，為了克服在

39、異步通信中，每傳輸一幀字符都必須加上起始位和停止位，占用了傳輸時(shí)間，在要求傳送數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合，速度就慢得多。同步傳輸方式去掉了這些起始位和停止位，只在傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)先送出一個(gè)同步頭（字符）標(biāo)志即可14。同步傳輸方式比異步傳輸方式速度快，這是它的優(yōu)勢(shì)。但同步傳輸方式也有其缺點(diǎn)，即它必須要用一個(gè)時(shí)鐘來協(xié)調(diào)收發(fā)器的工作，所以它的設(shè)備也較復(fù)雜。串行數(shù)據(jù)通信的傳輸速率。串行數(shù)據(jù)傳輸速率有兩個(gè)概念，即每秒轉(zhuǎn)送的位數(shù)bps（Bit per second）和每秒符號(hào)數(shù)波特率（Band rate），在具有調(diào)制解調(diào)器的通信中，波特率與調(diào)制速率有關(guān)。MCS-51的串行口和控制寄存器串行口控制寄存器MCS-51單片機(jī)

40、串行口寄存器結(jié)構(gòu)如圖所示。SBUF為串行口的收發(fā)緩沖器，它是一個(gè)可尋址的專用寄存器，其中包含了接收器和發(fā)送器寄存器，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。但這兩個(gè)寄存器具有同一地址（99H）。MCS-51的串行數(shù)據(jù)傳輸很簡(jiǎn)單，只要向發(fā)送緩沖器寫入數(shù)據(jù)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。而從接收緩沖器讀出數(shù)據(jù)即可接收數(shù)據(jù)15。此外，接收緩沖器前還加上一級(jí)輸入移位寄存器，MCS-51這種結(jié)構(gòu)目的在于接收數(shù)據(jù)時(shí)避免發(fā)生數(shù)據(jù)幀重疊現(xiàn)象，以免出錯(cuò)，部分文獻(xiàn)稱這種結(jié)構(gòu)為雙緩沖器結(jié)構(gòu)。而發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就不需要這樣設(shè)置，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)，CPU是主動(dòng)的，不可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。圖3.6 Mcs-51串行口寄存器結(jié)構(gòu)串行通信控制寄存器SCON控制寄存器是一個(gè)可尋址

41、的專用寄存器，用于串行數(shù)據(jù)的通信控制，單元地址是98H，其結(jié)構(gòu)格式如：SCON寄存器結(jié)構(gòu)SCOND7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH99H98H下面我們對(duì)各控制位功能介紹如下：a SM0、SM1：串行口工作方式控制位。SM0，SM1工作方式方式0方式1方式211方式3b SM2：多機(jī)通信控制位。多機(jī)通信是工作于方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。接收狀態(tài)，當(dāng)串行口工作于方式2或3，以及SM2=1時(shí)，只有當(dāng)接收到第9位數(shù)據(jù)（RB8）為1時(shí)，才把接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，且置位RI發(fā)出中斷申請(qǐng)，否則

42、會(huì)將接受到的數(shù)據(jù)放棄16。當(dāng)SM2=0時(shí)，就不管第位數(shù)據(jù)是0還是1，都難得數(shù)據(jù)送入SBUF，并發(fā)出中斷申請(qǐng)。工作于方式0時(shí)，SM2必須為0。c REN：允許接收位。REN用于控制數(shù)據(jù)接收的允許和禁止，REN=1時(shí)，允許接收，REN=0時(shí)，禁止接收。d TB8：發(fā)送接收數(shù)據(jù)位8。在方式2和方式3中，TB8是要發(fā)送的即第9位數(shù)據(jù)位。在多機(jī)通信中同樣亦要傳輸這一位，并且它代表傳輸?shù)牡刂愤€是數(shù)據(jù)，TB8=0為數(shù)據(jù)，TB8=1時(shí)為地址。e RB8：接收數(shù)據(jù)位8。在方式2和方式3中，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)，用以識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)特征。f TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。可尋址標(biāo)志位。方式0時(shí)，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)后

43、，由硬件置位，其它方式下，在發(fā)送或停止位之前由硬件置位，因此，TI=1表示幀發(fā)送結(jié)束，TI可由軟件清“0”。g RI：接收中斷標(biāo)志位?？蓪ぶ窐?biāo)志位。接收完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位，在其他工作方式下，該位由硬件置位，RI=1表示幀接收完成。電源管理寄存器PCONPCON主要是為CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，單元地址是87H，其結(jié)構(gòu)格式如：PCON電源管理寄存器結(jié)構(gòu)PCOND7D6D5D4D3D2D1D0位符號(hào)SMOD-GF1GF0PDIDL在CHMOS型單片機(jī)中，除SMOD位外，其他位均為虛設(shè)的，SMOD是串行口波特率倍增位，當(dāng)SMOD=1時(shí)，串行口波特率加倍。系統(tǒng)復(fù)位默認(rèn)

44、為SMOD=0。中斷允許寄存器IE17。ES為串行中斷允許控制位，ES=1允許串行中斷，ES=0，禁止串行中斷。IE中斷允許控制寄存器結(jié)構(gòu)位符號(hào)EA-ESET1EX1ET0EX0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H聲光報(bào)警部分溫度檢測(cè)系統(tǒng)多有聲光報(bào)警功能，當(dāng)檢測(cè)溫度超過上下限時(shí)，進(jìn)行聲光提示。本系統(tǒng)在從機(jī)和主機(jī)部分均設(shè)計(jì)了報(bào)警電路。各從機(jī)的報(bào)警上下限由主機(jī)預(yù)置，從機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測(cè)溫度值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路，同時(shí)向主控機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)18。報(bào)警電路原理如下所示： 電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)串行口輸出的是TTL電平，要想實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，必須要將其轉(zhuǎn)換成常用的串

45、行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口電平，如RS-232或RS-485。其中RS-232適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合，其邏輯電平與TTL、MOS邏輯電平完全不同，需要用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。其主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短（不超過30m），抗干擾能力差，不能滿足題目的要求。RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口為差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它通過傳輸線驅(qū)動(dòng)器把邏輯電平變換為電位差，完成信號(hào)的傳遞，具有傳輸速率快、傳送距離長(zhǎng)（可傳1200m）、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。所以系統(tǒng)使用RS-485總線進(jìn)行傳輸，采用SN75176驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。圖3.8SN75176芯片及其邏輯關(guān)系

46、 多機(jī)系統(tǒng)多機(jī)系統(tǒng)是指由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多種，如果從系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)的關(guān)系上分，可分為緊密耦合型和松散耦合型兩類。在緊密耦合的多機(jī)系統(tǒng)中，各臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系緊密，一般情況下他們通過總線(包括公共存儲(chǔ)器)進(jìn)行頻繁的信息交換，并在一個(gè)總的操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)地工作。在松散耦合的多機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系較少，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都有獨(dú)立的存貯器，并在各自的操作系統(tǒng)下獨(dú)立地工作。計(jì)算機(jī)之間通過通訊來協(xié)同工作。這類多機(jī)系統(tǒng)又可分為分布式和主從式兩類19。分布式多機(jī)系統(tǒng)中，各臺(tái)計(jì)算機(jī)具有平等的地位和相似的結(jié)構(gòu)。主從式多機(jī)系統(tǒng)中，有一臺(tái)功能較強(qiáng)的主計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)結(jié)構(gòu)相似的

47、從計(jì)算機(jī)。我們采用主從式系統(tǒng)完成本設(shè)計(jì)。在主從式多機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的通信由主機(jī)控制。主機(jī)主動(dòng)和從機(jī)聯(lián)絡(luò)通信，向從機(jī)發(fā)出各種命令，如設(shè)計(jì)從機(jī)的工作參數(shù)，修改從機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，詢問從機(jī)的狀態(tài)，收集從機(jī)的數(shù)據(jù)等。而從機(jī)不能主動(dòng)向主機(jī)或其他從機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)系，他只有在主機(jī)向它發(fā)出命令時(shí)才做出相應(yīng)，向主機(jī)回送信息。因此主計(jì)算機(jī)處于主導(dǎo)地位，而從計(jì)算機(jī)處于處于從屬地位20。在主從式多機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)的功能往往是監(jiān)視各從機(jī)的工作，定時(shí)收集各個(gè)從機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息并將收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、存檔、格式化顯示和打印等。同時(shí)，操作人員通過人-機(jī)通訊，在主機(jī)上查詢從機(jī)的狀態(tài)，診斷系統(tǒng)中各個(gè)從機(jī)是否出現(xiàn)故障，以便系統(tǒng)維

48、護(hù)。從機(jī)的功能一般是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的采集、計(jì)算和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，從機(jī)自動(dòng)完成對(duì)各要素的定時(shí)采樣和計(jì)算，在接到主機(jī)的命令時(shí)將結(jié)果送給主機(jī)。主從式多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)主從式多機(jī)系統(tǒng)時(shí)，除了掌握單片及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法外，還必須注意以下幾個(gè)方面：機(jī)和從機(jī)的功能劃分在設(shè)計(jì)一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)著眼于整個(gè)系統(tǒng)的功能，設(shè)法提高整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比，因此合理規(guī)定主機(jī)和從機(jī)的功能是十分重要的。系統(tǒng)的有些功能，例如數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，可以由各個(gè)從機(jī)來完成，只把結(jié)果送給主機(jī)，也可以把原始數(shù)據(jù)直接送給主機(jī)，由主機(jī)處理。這兩種方法對(duì)中央處理機(jī)的工作時(shí)間、存儲(chǔ)器的容量以及主機(jī)和從機(jī)之間需傳送的信息量會(huì)產(chǎn)生影響。在確定主從機(jī)功

49、能的同時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行要求，主機(jī)和從機(jī)的工作量，主從機(jī)之間的距離和現(xiàn)場(chǎng)操作需求來考慮。通訊方式多機(jī)系統(tǒng)和單機(jī)系統(tǒng)在硬件上的最大不同是需要通訊口。通訊可采用各種方法來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于距離在幾米以上的系統(tǒng)，一般均采用串行通訊。它又分為同步和異步兩種方式，前者速度快，通訊距離較近，后者速度慢，但通訊距離遠(yuǎn)。一般的工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸量不大的情況下，采用異步方式比較方便21。通訊的物理物理媒介也有許多種，如采用無線電通訊或 線通訊，這是一般采用異步方式，并應(yīng)加入調(diào)制解調(diào)器，它的通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)幾十公里以上；如果采用電纜通訊，可采用RS 232或RS-422、RS-456等方式，后二者可采用

50、一般的雙絞線進(jìn)行通訊，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在通訊距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)采用 RS-485等接口方式主機(jī)選擇多機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求和現(xiàn)有條件來選擇。如果該系統(tǒng)需要有外部存儲(chǔ)設(shè)備以存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)采用由磁盤驅(qū)動(dòng)器地主機(jī)，特別是在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，應(yīng)采用由硬盤的主機(jī)。如果主機(jī)需執(zhí)行較多的實(shí)時(shí)控制功能，則應(yīng)選擇可配備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主機(jī)。一般情況下，可采用等通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)。由于一般的個(gè)人計(jì)算機(jī)配有串行接口，如果主從機(jī)采用通訊時(shí)，應(yīng)該再加入通訊處理機(jī)，它與主機(jī)用相連，與各從機(jī)用同步通訊方式相連。通訊規(guī)程選擇這里的通訊規(guī)程主要是指主機(jī)之間的通訊約定，它包括從機(jī)尋址方式、通訊檢驗(yàn)及通訊應(yīng)答等

51、方式等。一般主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)通訊時(shí)，只使用一套公共的的通訊線路，主機(jī)應(yīng)能和指定的任何一個(gè)從機(jī)通訊，也能向全部從機(jī)發(fā)命令。因?yàn)橐慌_(tái)主機(jī)只能和一臺(tái)從機(jī)通訊，所以有一個(gè)怎樣尋址從機(jī)的問題。對(duì)MCS-51單片機(jī)，它們的串行口由主從機(jī)通訊方式，允許發(fā)送地址或數(shù)據(jù)。但是如果通訊距離較遠(yuǎn)或現(xiàn)場(chǎng)有干擾時(shí)，就不宜采用此方法。因?yàn)镸CS-51等的主從機(jī)通訊方式中，地址與數(shù)據(jù)的區(qū)別只是發(fā)送的最后一位不同，如果有干擾改變了了這位的狀態(tài)，會(huì)打亂整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行22。這是可采用在命令中增加幾位地址地方法。在有干擾時(shí)，主從機(jī)通訊應(yīng)加入檢驗(yàn)，對(duì)異步通訊，可采用字符或字節(jié)的奇偶校驗(yàn)加上一幀信息的累加和校驗(yàn)。從機(jī)設(shè)計(jì)方法從機(jī)是一個(gè)獨(dú)

52、立地控制器或數(shù)據(jù)采集裝置，它的設(shè)計(jì)方法基本上與一般的單片機(jī)系統(tǒng)相同，只是需增加通訊口硬件和通訊處理軟件。為了減少通訊量，從機(jī)常用于完成對(duì)一個(gè)子系統(tǒng)的控制或數(shù)據(jù)采集。每臺(tái)從機(jī)所需完成地功能一般比較多，而且是綜合性地，這是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，再加上通訊處理軟件需與控制或數(shù)據(jù)采集并行進(jìn)行，所以在多機(jī)系統(tǒng)的從機(jī)中，應(yīng)該配備實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 RS485方式構(gòu)成的多機(jī)通信原理在由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)串行通信系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構(gòu)：從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)單機(jī)作為主機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。采用RS485構(gòu)成的多機(jī)

53、通訊原理框圖，如圖所示。圖3.9采用RS485構(gòu)成的多機(jī)通訊原理框圖在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈，無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號(hào)的影響。將總線上差分信號(hào)的正端A+和+5電源間接一個(gè)10K的電阻；正端A+和負(fù)端B-間接一個(gè)10K的電阻；負(fù)端B-和地間接一個(gè)10K的電阻，形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，正端A+的電平大約為3.2V，負(fù)端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號(hào)，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)0，從而增加了總線抗干擾的能力。通信規(guī)則由于RS485通訊是一種半雙工通

54、訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。半雙工通訊對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合，必須要遵從以下幾項(xiàng)原則：復(fù)位時(shí)，主從機(jī)都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。SN75176芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1時(shí)，SN75176發(fā)送狀態(tài)；RE*=0，DE=0時(shí)，SN75176處于接收狀態(tài)。一般使用單片機(jī)的一根口線連

55、接RE*，DE端。在上電復(fù)位時(shí)，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，并且單片機(jī)各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會(huì)使總線上各個(gè)分機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，加上上電時(shí)各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號(hào)，應(yīng)該將口線反向后接入SN75176的控制端，使上電時(shí)SN75176處于接收狀態(tài)。另外，在主從機(jī)軟件上也應(yīng)附加若干處理措施，如：上電時(shí)或正式通訊之前，對(duì)串行口做幾次空操作，清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。控制端RE*，DE的信號(hào)的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號(hào)的寬度。在RS232，RS422等全雙工通訊過程中，發(fā)送和接收信號(hào)分別在不同的物理鏈路上傳輸，發(fā)送端始終為發(fā)送端，接

56、收端始終為接收端，不存在發(fā)送、接收控制信號(hào)切換問題。在RS485半雙工通訊中，由于SN75176的發(fā)送和接收都由同一器件完成，并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行切換?？刂菩盘?hào)何時(shí)為高電平，何時(shí)為低電平，一般以單片機(jī)的TI，RI信號(hào)作參考。發(fā)送時(shí)，檢測(cè)TI是否建立起來，當(dāng)TI為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能。接收時(shí)，檢測(cè)RI是否建立起來，當(dāng)RI為高電平后，接收完畢，又可以轉(zhuǎn)為發(fā)送23。在理論上雖然行得通，但在實(shí)際聯(lián)調(diào)中卻出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)時(shí)錯(cuò)的現(xiàn)象。根據(jù)查證有關(guān)資料，并在聯(lián)調(diào)中借助存儲(chǔ)示波器反復(fù)測(cè)試，才發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得注意的問題，我們可以查看單片機(jī)的時(shí)序：圖3.10串行口模式3時(shí)序圖

57、單片機(jī)在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只要將8位數(shù)據(jù)位傳送完畢，TI標(biāo)志即建立，但此時(shí)應(yīng)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)位（若發(fā)送地址幀時(shí)）和停止位尚未發(fā)出。如果在這是關(guān)閉發(fā)送控制，勢(shì)必造成發(fā)送幀數(shù)據(jù)不完整。如果單片機(jī)多機(jī)通訊采用較高的波特率，幾條操作指令的延時(shí)就可能超過2位（或1位）數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間，問題或許不會(huì)出現(xiàn)。但是如果采用較低波特率，如9600，發(fā)送一位數(shù)據(jù)需100s左右，單靠幾條操作指令的延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，問題就明顯地暴露出來。接收數(shù)據(jù)時(shí)也同樣如此，單片機(jī)在接收完8個(gè)數(shù)據(jù)位后就建立起RI信號(hào)，但此時(shí)還未接收到第九位數(shù)據(jù)位（若接收地址幀時(shí)）和停止位。所以，接收端必須延時(shí)大于2位數(shù)據(jù)位的時(shí)間（1位數(shù)據(jù)位時(shí)間=1/波特率

58、），再作應(yīng)答，否則會(huì)發(fā)生總線沖突?？偩€上所連接的各單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上完全隔開。為了保證發(fā)送和接收信號(hào)的完整和正確，避免總線上信號(hào)的碰撞，對(duì)總線的使用權(quán)必須進(jìn)行分配才能避免競(jìng)爭(zhēng)，連接到總線上的單機(jī)，其發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上要完全隔離。總之，發(fā)送和接收控制信號(hào)應(yīng)該足夠?qū)?，以保證完整地接收一幀數(shù)據(jù)，任意兩個(gè)單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上完全分開，避免總線爭(zhēng)端。主控機(jī)部分 電路設(shè)計(jì)主控機(jī)主要負(fù)責(zé)控制從機(jī)，包括設(shè)置從機(jī)信息和收集從機(jī)檢測(cè)信號(hào)，然后將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示、打印，并能根據(jù)用戶設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行聲光報(bào)警。這部分的硬件電路設(shè)計(jì)除了鍵盤、液晶、打印機(jī)等常規(guī)外設(shè)外，增加了一片24C04

59、用來保存溫度數(shù)據(jù)，另外，增加了一片日歷時(shí)鐘芯片PCF8563。24C04是基于I2C總線的串行E2PROM，存儲(chǔ)容量512個(gè)字節(jié)，它占用單片機(jī)資源很少，僅占用了兩根I/O線，數(shù)據(jù)一旦寫入可保存100年，避免了普通RAM掉電保護(hù)的麻煩，非常適合于各類儀器儀表和控制裝置的參數(shù)保存。主控機(jī)每個(gè)整點(diǎn)收集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到E2PROM。每個(gè)溫度數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)，這樣，我們?cè)O(shè)計(jì)共保存24組歷史數(shù)據(jù)，占用個(gè)字節(jié)。當(dāng)存滿24組數(shù)據(jù)后，整點(diǎn)再次接收數(shù)據(jù)時(shí)，將最早保存的數(shù)據(jù)刪除，其他數(shù)據(jù)依次前移為新數(shù)據(jù)空出位置。PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電

60、檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線串行傳遞24。這兩部分電路設(shè)計(jì)原理圖如下：圖3.11 主機(jī)24C04與8563部分電路原理圖 所用器件介紹PCF8563：PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多功能報(bào)警功能，定時(shí)功能，時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至為單片機(jī)提供看門狗功能。內(nèi)部時(shí)鐘電路，內(nèi)部振蕩電路，內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路（1.0V）以及兩線制I2C總線通訊方式，不但使外圍電路極其簡(jiǎn)潔，而且也增加了芯片的可靠性。同時(shí)每次寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。當(dāng)然作為時(shí)鐘芯片